Microarrays in molecular profiling of cancer - focus on head and neck squamous cell carcinoma

Microarrays have a wide range of applications in the biomedical field. From the beginning, arrays have mostly been utilized in cancer research, including classification of tumors into different subgroups and identification of clinical associations. In the microarray format, a collection of small features, such as different oligonucleotides, is attached to a solid support. The advantage of microarray technology is the ability to simultaneously measure changes in the levels of multiple biomolecules. Because many diseases, including cancer, are complex, involving an interplay between various genes and environmental factors, the detection of only a single marker molecule is usually insufficient for determining disease status. Thus, a technique that simultaneously collects information on multiple molecules allows better insights into a complex disease. Since microarrays can be custom-manufactured or obtained from a number of commercial providers, understanding data quality and comparability between different platforms is important to enable the use of the technology to areas beyond basic research. When standardized, integrated array data could ultimately help to offer a complete profile of the disease, illuminating mechanisms and genes behind disorders as well as facilitating disease diagnostics. In the first part of this work, we aimed to elucidate the comparability of gene expression measurements from different oligonucleotide and cDNA microarray platforms. We compared three different gene expression microarrays; one was a commercial oligonucleotide microarray and the others commercial and custom-made cDNA microarrays. The filtered gene expression data from the commercial platforms correlated better across experiments (r=0.78-0.86) than the expression data between the custom-made and either of the two commercial platforms (r=0.62-0.76). Although the results from different platforms correlated reasonably well, combining and comparing the measurements were not straightforward. The clone errors on the custom-made array and annotation and technical differences between the platforms introduced variability in the data. In conclusion, the different gene expression microarray platforms provided results sufficiently concordant for the research setting, but the variability represents a challenge for developing diagnostic applications for the microarrays. In the second part of the work, we performed an integrated high-resolution microarray analysis of gene copy number and expression in 38 laryngeal and oral tongue squamous cell carcinoma cell lines and primary tumors. Our aim was to pinpoint genes for which expression was impacted by changes in copy number. The data revealed that especially amplifications had a clear impact on gene expression. Across the genome, 14-32% of genes in the highly amplified regions (copy number ratio >2.5) had associated overexpression. The impact of decreased copy number on gene underexpression was less clear. Using statistical analysis across the samples, we systematically identified hundreds of genes for which an increased copy number was associated with increased expression. For example, our data implied that FADD and PPFIA1 were frequently overexpressed at the 11q13 amplicon in HNSCC. The 11q13 amplicon, including known oncogenes such as CCND1 and CTTN, is well-characterized in different type of cancers, but the roles of FADD and PPFIA1 remain obscure. Taken together, the integrated microarray analysis revealed a number of known as well as novel target genes in altered regions in HNSCC. The identified genes provide a basis for functional validation and may eventually lead to the identification of novel candidates for targeted therapy in HNSCC.

Biolääketieteessä mikrosiruilla tutkitaan samanaikaisesti tuhansia molekyylejä solu- tai kudosnäytteestä. Mikrosirut koostuvat kiinteällä alustalla, kuten mikroskooppilasilla, olevista tuhansista pienistä pisteistä. Jokainen piste voi sisältää esimerkiksi 25-60 emäksen pituisia oligonukleotidejä, jotka vastaavat tiettyä geeniä. Näin mikrosirujen avulla voidaan tutkia vaikkapa useiden geenien ilmentymistä näytteestä. Mikrosiruilla on paljon sovelluksia biolääketieteen alalla. Erityisesti siruja on käytetty syöpätutkimuksessa. Mikrosiruja geenien ilmentymisen määrittämiseen valmistetaan paikallisesti tutkimuslaboratoriossa tai ostetaan kaupallisilta valmistajilta. Kaupallisia valmistajia on useita. Monimuotoisuus asettaa haasteita tiedon keräämiselle eri sirutyypeiltä ja kerätyn tiedon vertaamiselle. Tässä väitöskirjatyössä verrattiin geenien ilmentymisen tuloksia kolmelta erityyppiseltä mikrosirulta. Joukossa oli kaksi kaupallista sekä yksi itsetehty siru. Vertailu osoitti, että kaupalliset sirut antoivat samankaltaisempia tuloksia, korrelaatio sirujen välillä 0.78-0.86, kuin itsetehty siru. Vaikka tulokset osoittivat, että eri siruilta voidaan saada vertailukelpoista tietoa, ei vertailu tulosten välillä ole suoraviivaista. Haasteena ovat mikrosirujen tekniset eroavaisuudet sekä tiedon saattaminen vertailukelpoiseen muotoon. Mikrosirujen kehittyessä tutkimustyökalusta kliinisiin sovelluksiin standardoinnilla - ja sitä kautta tulosten paremmalla vertautuvuudella - on tärkeä tehtävä. Työssä tutkittiin myös biologisen tiedon yhdistämistä eri mikrosirumenetelmistä pään ja kaulan alueen syövässä. Mittaamalla mikrosiruilla geenin kopiomäärän muutoksia DNA-tasolla ja yhdistämällä tämä tieto geenin ilmentymistason muutoksiin saatiin tietoa syövälle merkityksellisistä geeneistä. Erityisesti korkeasteiset kopioluvun muutokset vaikuttivat geenien ilmentymiseen, sillä 14-32% näillä alueilla sijaisevista geeneistä oli myös kohonnut ilmentymistaso. Tilastollisin menetelmin osoitettiin satoja geenejä, joilla kopioluvun ja ilmentymän muutos näyttävät olevan yhteydessä toisiinsa. Tässä joukossa oli uusia kohdegeenejä ennestään tunnetuille kromosomialueille, kuten FADD ja PPFIA1 geenit kromosomissa 11. Työssä tunnistetut geenit antavat hyvän pohjan jatkotutkimuksille, jotka voivat vuosien kuluessa johtaa edistysaskeliin pään ja kaulan alueen syövän hoidossa.